スクラムジェット燃焼器内の着火・保炎の研究
(Ignition and Flame Holdings in a Scramjet Combustor)

1. 研究背景 (Background of Research)

スクラムジェットエンジンは極超音速飛行において有力な推進システムであり，その開発・利用にむけた研究が各国で進められています．
このエンジンの特徴として空気の滞在時間が非常に短く，安定した着火・保炎が困難ということが挙げられます^[1]．また，近年では，エネルギー密度の観点から炭化水素燃料を用いることが注目されていますが，従来の水素燃料と比較して着火しにくいという難点があります.

これらの問題に対し，着火を促進するため燃焼器内にキャビティを設置するとともに，様々な方式の点火装置によりスクラムジェットエンジン内で強制着火させる手法が研究され，着火促進の効果が評価されています^[2].しかしながら，強制着火と保炎のプロセスに関しては解明がなされていません．今後，最適な点火器を設計するためには，強制着火プロセスと保炎プロセスを解明する必要があります． 

The scramjet engine is a powerful propulsion system for hypersonic flight, and research into its development and utilization is being conducted in many countries.
One of the characteristics of this engine is that the residence time of air is very short, making stable ignition and flame holdings difficult^[1]. In recent years, the use of hydrocarbon fuels has been attracting attention from the viewpoint of energy density, but these fuels are more difficult to ignite than conventional hydrogen fuels.

To address these problems, a cavity has been installed in the combustor to promote ignition, and various methods of forced ignition in scramjet engines have been studied and evaluated for their effectiveness in accelerating ignition^[2]. However, the processes of forced ignition and flame retention have not been clarified. In order to design an optimal igniter in the future, the forced ignition process and flame retention process must be clarified. 

2. 研究目的 

(Purpose of the Research)

本研究の目的は，スクラムジェット燃焼器内のキャビティ周辺における炭化水素燃料の強制着火プロセスおよび保炎のプロセスを明らかにすることです．
マイクロロケットトーチを設置したキャビティ内の強制着火プロセスと保炎プロセスを明らかにすることができれば，強制着火促進効果と保炎状態の最適なマイクロロケットトーチを設計することができ，スクラムジェットエンジンに搭載することが可能となります．

The purpose of this study is to clarify the processes of forced ignition and flame retention of hydrocarbon fuels around cavities in a scramjet combustor.
If the forced ignition and flame retention processes in the cavity where the micro-rocket torch is installed can be clarified, it will be possible to design a micro-rocket torch with optimal forced ignition promotion effect and flame retention conditions for installation in a scramjet engine. 

3. 研究内容 (Research)

先行研究^[3]では，2 種類のキャビティ形状(𝐿/𝐷 = 4,8)にマイクロバーナートーチを設置した燃焼実験が行われ，燃焼器内においてラジカル自発光が観測されました．火炎中のラジカル自発光は，計測が容易かつ時間連続的な計測が可能であるため，古くから燃焼反応の解析に利用されています．本研究では，先行の燃焼実験においてOHラジカル自発光を計測した画像を解析することにより，着火・保炎の評価を行っています．今後は実験装置の整備を行い，異なる条件での実験データを取得，他の解析方法も適用していく予定です．

In a previous study^[3], combustion experiments were conducted with micro-rocket torches in two different cavity geometries (𝐿/𝐷 = 4,8) and radical spontaneous light was observed in the combustor. Radical spontaneous emission in flames has long been used to analyze combustion reactions because it is easy to measure and can be measured continuously over time. In this study, we evaluated ignition and flame retention by analyzing images of OH radical spontaneous photons measured in a previous combustion experiment. In the future, we plan to improve the experimental apparatus, obtain experimental data under different conditions, and apply other analysis methods.

Fig.1 スクラムジェットエンジン内での着火メカニズムと保炎メカニズムの研究

4. 研究成果 

参考文献

[1]：Colket Ⅲ M B et al. (2001) J Prop Power 17(2): 347-359
[2]：Kobayashi K et al. (2004), J Prop Power 20(2): 294-301
[3]：Ogawa S et al., APISAT 2021(2021), paper P00317